[논문 리뷰] Single-Component Superconductivity in UTe$_2$ at Ambient Pressure

Florian Theuss, Avi Shragai외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 20.

High-pressure geophysics and materialsEarth and Planetary Sciences참고 문헌 50인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 펄스-에코 초음파를 사용하여 UTe₂에서 탄성 모듈러스를 측정하여, Tc 근처에서 전단 모듈러스에 열역학적 비연속성이 없음을 입증한다. 이는 단일 성분 초전도 주문 매개변수를 직접적으로 실험적으로 뒷받침하며, 다성분 모델보다 B₂u 홀수 페어링 상태를 지지한다.

ABSTRACT

The microscopic mechanism of Cooper pairing in a superconductor leaves its fingerprint on the symmetry of the order parameter. UTe$_2$ has been inferred to have a multi-component order parameter that entails exotic effects like time reversal symmetry breaking. However, recent experimental observations in newer-generation samples have raised questions about this interpretation, pointing to the need for a direct experimental probe of the order parameter symmetry. Here, we use pulse-echo ultrasound to measure the elastic moduli of UTe$_2$ in samples that exhibit both one and two superconducting transitions. We demonstrate the absence of thermodynamic discontinuities in the shear elastic moduli of both single- and double-transition samples, providing direct evidence that UTe$_2$ has a single-component superconducting order parameter. We further show that superconductivity is highly sensitive to compression strain along the $a$ and $c$ axes, but insensitive to strain along the $b$ axis. This leads us to suggest a single-component, odd-parity order parameter -- specifically the B$_{2u}$ order parameter -- as most compatible with our data.

연구 동기 및 목표

• UTe₂에서의 페어링 대칭에 대한 오랫동안 지속된 논란을 해결하기 위해, 특히 다성분 또는 단일 성분 초전도 주문 매개변수가 존재하는지 여부를 밝히는 것.
• 응력에 의존하는 탄성 측정을 통해 초전도 주문 매개변수의 성격에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공하는 것.
• UTe₂에서 다양한 결정학적 축(a, b, c)을 따라 일축 응력을 가했을 때 초전도성의 민감도를 조사하는 것.
• 어떤 샘플에서 관측된 두 개의 초전도 전이가 본질적인 것인지, 또는 비균일성 또는 응력 효과 때문인지 규명하는 것.

제안 방법

• 다양한 온도와 응력 조건에서 UTe₂ 단일 결정의 탄성 모듈러스를 측정하기 위해 펄스-에코 초음파를 사용하였다.
• 초전도 전이 온도 Tc를 넘어서 전단 및 압축 탄성 모듈러스의 변화를 측정하여, 다성분 페어링에 기인한 열역학적 비연속성을 탐지하였다.
• 초전도성의 이방성 응답을 탐색하기 위해 a, b, c 결정학적 축을 따라 일축 응력을 가하였다.
• 대칭 분석과 군 이론을 사용하여 노드의 구조와 운동량 의존성에 기반한 가능한 홀수 페어링 주문 매개변수(Aᵤ, B₁ᵤ, B₂ᵤ, B₃ᵤ)를 분류하였다.
• 실험적 응력 및 탄성 모듈러스 반응을 단일 성분 대 다성분 초전도체에 대한 이론 예측과 비교하였다.
• 양자 진동 데이터와 밀도함수이론(DFT) 계산을 연계하여 피어미 표면의 위상과 갭 대칭을 검증하였다.

Figure 1: The influence of strain on one- and two-component superconductors. Panel (a) illustrates how two representative order parameters—single-component $s$ -wave and two-component $p_{x}+ip_{y}$ —respond to both compression and shear strain. Both gaps respond under compression (whether increasin

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UTe₂의 초전도 주문 매개변수가 응력에 대한 탄성 반응으로부터 단일 성분인지 다성분인지 여부가 드러나는가?
• RQ2 다성분 초전도체에서 예상되는 바와 같이, 전단 탄성 모듈러스에 열역학적 비연속성이 Tc 근처에서 UTe₂에서 관측되는가?
• RQ3 UTe₂에서 초전도성은 a, b, c 결정학적 축을 따라 일축 응력에 어떻게 반응하는가?
• RQ4 탄성 및 응력 반응에 기반하여, UTe₂의 초전도 갭 대칭을 가장 잘 설명하는 홀수 페어링 기저 표현(예: B₂ᵤ)은 무엇인가?
• RQ5 어떤 샘플에서 관측된 두 개의 초전도 전이가 본질적인 다성분 페어링의 증거인지, 아니면 외부적 비균일성의 결과인지 여부를 밝힐 수 있는가?

주요 결과

• 단일 전이 또는 이중 전이 UTe₂ 샘플 모두에서 Tc 근처에서 전단 탄성 모듈러스에 열역학적 비연속성이 관측되지 않아, 이중 성분 주문 매개변수를 배제하였다.
• UTe₂의 초전도 전이는 a 축과 c 축을 향한 눌림 응력에 매우 민감하지만, b 축을 향한 응력에는 민감하지 않다.
• 관측된 응력 및 탄성 반응은 단일 성분, 홀수 페어링 초전도 주문 매개변수, 특히 B₂ᵤ 채널과 일치한다.
• B₂ᵤ 주문 매개변수는 피어미 표면에서 완전히 갭이 있고, k_y 방향으로만 점 노드를 가지며, 관측된 노드 구조와 일치한다.
• 전단 모듈러스 비정상성의 부재는 p_x + ip_y와 같은 다성분 초전도체에 대한 예측과 모순되며, 보다 단순한 페어링 상태를 지지한다.
• 결과적으로, 일부 샘플에서 관측된 이중 전이 행동은 본질적인 다성분 페어링의 증거가 아니며, 비균일성 또는 응력 효과의 결과일 수 있음을 보여주어 이전 데이터의 모순되는 해석을 해결하였다.

Figure 2: Relative change in elastic moduli through $T_{\rm c}$ for single- $T_{\rm c}$ UTe 2 . A compressional elastic modulus, $c_{33}$ , shows a sharp discontinuity of approximately 40 parts per million at $T_{\rm c}$ , as expected for all superconductors. In contrast, the shear elastic moduli— $